大学物理课件：第五章学物理第五章总结
大学物理 第5章刚体定轴转动
赵 承 均
转动平面 某质点所在的圆周平面，称为转动平面。
参考线
转心 矢径
转动平面内任一过转轴的直线，如选 x 轴。
某质点所在的轨迹圆的圆心，称为转心。 某质点对其转心的位矢，称为该质点的矢径。
第一篇
力学
重 大 数 理 学 院
显然：转动刚体内所有点有相同的角量，故用角量描述刚体 的转动更方便，只需确定转动平面内任一点的角量即可。 1.角坐标— 描写刚体转动位臵的物理量。 角坐标 转动平面内刚体上任一点 P 到转轴 O 点的连线与 参考线间的夹角 。
赵 承 均
第二类问题：已知J和力矩M：求出运动情况和 b及 F 。
第三类问题：已知运动情况和力矩M，求刚体转动惯量 J 。
第一篇
力学
重 大 数 理 学 院
第一类问题：已知运动情况和 J ，确定运动学和动力学的联 系 例 ：长为 l,质量为 m 的细杆，初始时的角速 度为 ωo ，由于细杆与 桌面的摩擦，经过时间 t 后杆静止，求摩擦力 矩 Mf 。
Fi cos i Fi cos i mi ain mi ri 2 法向：
e i
第一篇
力学
重 大 数 理 学 院
由于法向力的作用线穿过转轴，其力矩为零。可在切向 方程两边乘以 ri ，得到：
Fi e ri sin i Fi i r i sin i mi ri 2
4.角加速度— 描写角速度变化快慢和方向的物理量。 ⑴ 平均角加速度 t
即：刚体的角速度变化与发生变化所用的时间之比。
赵 承 均
⑵ 角加速度 ①用平均角加速度代替变化的角加速度； ②令 t 0 取极限；
d d lim 2 t 0 t dt dt
大学物理教程课件第五章
M
dE dE dV Cp = +p 可得： 代入上式 可得： dT dT dT
µ
CV (T2 − T1 )
dV C p = CV + p dT 利用1摩尔理想气体的状态方程 利用 摩尔理想气体的状态方程 PV=RT，将两边求微分并考 ， 虑到此时的P为常量 为常量， 代入上式得： 虑到此时的 为常量，可得 PdV=RdT 或 R=PdV/dT代入上式得： 代入上式得
T1 T2
对于质量为M的工作物质 温度从 升到T 对于质量为 的工作物质,温度从 1升到 2时向外界吸收 的工作物质 温度从T 的热量为： 的热量为： M Q = νC p (T2 − T1 ) = C p (T2 − T1 )
µ
第五章 热力学
对于一般的准静态过程中系统所吸收的热量， 对于一般的准静态过程中系统所吸收的热量，可以通过对 T2 两边求得： 式dQ = νCdT 两边求得： Q = ∫ dQ = ∫ νCdT = νC (T2 − T1 )
在热传递过程中所传递的能量就称为热量。 在热传递过程中所传递的能量就称为热量。 功与热量的异同
1）过程量：与过程有关； ）过程量：与过程有关；
T1 < T2
T1 Q T2
2）等效性：改变系统热运动状态作用相同； ）等效性：改变系统热运动状态作用相同； 1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡 卡 3）功与热量的物理本质不同 . ）
热力学
相辅相成
气体动理论
第五章 热力学
第一节 热力学第一定律及其对理想气体的应用
一、热力学系统 热力学所研究的对象称为热力学系统，简称系统。 热力学所研究的对象称为热力学系统，简称系统。 按系统与外界的相互作用可将系统分为三类： 、 按系统与外界的相互作用可将系统分为三类：1、开放 系；2、封闭系；3、孤立系。 、封闭系； 、孤立系。 热力学平衡态：如果孤立系达到一个各种宏观性质不再随时间 热力学平衡态： 改变的状态，则这种状态就称为热力学平衡态。 改变的状态，则这种状态就称为热力学平衡态。 二．热力学过程 热力学系统的状态随时间的变化叫做热力学过程。 热力学系统的状态随时间的变化叫做热力学过程。 1、如按过程的平衡性质分，热力学过程可分为准静态过程和 、如按过程的平衡性质分， 非准静态过程。 非准静态过程。
大学物理第五章汇总
2.球壳内的场强；
3. 球壳外的场强；
解：（1）由静电感应知识知 球壳内表面带电量为－q, 球壳内表面带电量为q
（2）由分析知空间电场具有球对称性，选半径为r的同心球 面为高斯面，由高斯定理
ÒS
rr EgdS
q内
0
r E
5-6 长 l =15cm的直导线AB上均匀地
分布着线密度为 l = 5×10-9 C/m：的电荷
（如图） 。求：
（1）在导线的延长线上与导线一端 B 相 距 d = 5cm处P 点的场强；
（2）在导线的垂直平分线上与导线中点 相距 d =5cm处Q点的场强。
.Q
A
d l
B .P d
题号 结束
已知：l =15cm， l = 5×10-9 C/m,
0
a.rR时，高斯面内电荷 q
d
V
4 3
r
3
R
E r 3 0
b.rR时，高斯面内电荷
q 4 R3
3
E
R3 3 0
1 r2
高斯定理的应用
均匀带电球体的电场分布
r
rR
E
3 0 R3 1 3 0 r 2
rR
R
E Er 关系曲线
R
3 0
r 2
O
R
r
例. 点电荷q ，处在导体球壳的中心，壳的
q内
4 0 r 2
eˆr
r R1时
r E
q
4r0 r 2
e)r
R1 r R2 时 E 0
r R2时
r E
q
4 0 r 2
大学物理 第五章.
时，
刚体定轴转动的 角动量守恒定律
35
§5.4 刚体的角动量定理及守恒定律
例5.6：如图，质量为M，半径为R的转台，可绕通过中心竖直轴
转动，阻力忽略不计，质量为m的人站在台的边缘，人和台原来都 静止，如果人沿转台的边缘绕行了一周，问相对地面转台转过了多 少角度？
解：把人和转台看做一个系统
系统的角动量守恒 规定：逆时针转动为正方向，以 地面为参考系。 设人的角速度为ω，转台的角速度为Ω。
或
A = ∫ Mdθ = Mθ
42
例5.9：一质量为m，长为 l的匀质杆，两端用绳悬挂杆处于水平 状态，现突然将杆右端的悬线剪断，求(1)此瞬间另一根绳受到 的张力 ;(2)剪断绳子之后任一时刻杆的角速度 ω与转过角度 θ之 间的关系。 解： （1）首先考虑杆绕O点的的转动 根据转动定律： T O
匀变速运动
6
§5.1 刚体及其定轴转动描述
例5.1：一汽车发动机的转速在5s内由200r（转）/min均匀地增加 到3000r（转）/min。（1）求在这段时间内的初角速度、末角速 度和角加速度；（2）求这段时间内转过的角度；（3）发动机轴 上装有一半径为R=0.15m的飞轮，求轮边缘上一点在这第5s末的 切向加速度、法向加速度和总加速度。
24
§5.3 刚体转动的功和能
回顾： 质点 质量 牛顿运动定律
M = Jβ
刚体 转动惯量 转动定律
力做功
力矩做功
25
§5.3 刚体转动的功和能
一、力矩的功
轴
dθ dr α r
α
F 在转动平面内
ω
元功： dA = F • dr = F dr cos α = F ( rdθ ) cos α F ( r cos α )dθ = Mdθ
大学物理课件 第五章-1
三. 波的特征量
1.波速u
概念：振动状态传播的速度 由媒质的性质决定与波源情况无关。
弹性媒质中u
波速
பைடு நூலகம்模量 密度
波速仅仅取 决于媒质的 弹性和惯性
模密
量 度
横波 纵波
固体：u G
柔绳：u
T
T : 绳张力 : 线密度
固体：u Y
液气：u B
12
2. 周期T： 一个完整的波通过波线上的某点所需的时间。
(x-
xo）] x0 }
结论：确定波动方程的二个条件 1. 已知u
2. 波线上一点的振动方程
18
三、波动方程物理意义(正向传播波为例)
y
A
cos[
(t
x u
)
0
]
1. 在空间某位置 x = x1，有
2. 它在表某示时y 刻x A=tco=xs1t1处ω，的t有振xu1动 函o数 ，A其cos中ωtooux1ω为ux1初 相。
2 T
14
§5-3平面简谐波
一、平面简谐波概念 所有质点作谐振且波面为平面的波
二、平面简谐波的波动方程：y=f(x,t)
描述媒质中各质点位移y随各点平衡位置x和时间t变化 的函数关系
平面简谐波，在无吸收的、
均匀无限大介质中传播。
源
以坐标原点O点为参考点
y
则O点处质点的振动方程为 A
u
y0 Acos(t 0 )
因媒质各部分间的弹性联系，会使振动传播开去，
这就形成了波动 — 机械波
4
“上游”的质元依次带动“下游”的质元振动。 质元的振动状态将在较晚时刻于“下游”出现。
波动是振动状态的传播，不是媒质的传播。
大学物理第5章
第二节 刚体的定轴转动定律
如图5-9所示，假设一个刚体绕固定轴Oz轴转动，将此 刚体分成许多质元，每个质元都在各自的转动平面上做圆周 运动，它们各自的转动平面不尽相同，各自做圆周运动的圆 心也不相同.但是，这些圆心都在z轴上.在刚体中取一质元i， 其质量为Δmi，离转轴的距离为ri，设该质元受到的合外力为 Fi，来自刚体内其他质元对它的合内力为fi，并假设合外力Fi 和合内力fi都位于质元i所在的转动平面内（都与转轴垂直）. 设质元的加速度为ai，则有
第一节 刚体运动的描述
二、 刚体的定轴转动
定轴转动是刚体转动中最简单的运动形式. 刚体做定轴转动时，刚体上各点都绕同一转轴做圆周运动，而转轴 本身在空间的位置不动，轴上各点始终静止不动.例如，门的开或关、机 器上飞轮的转动等都是定轴转动.如图5-3所示，刚体上P点处任意一个 质元都将在通过该点且与转轴垂直的平面内做圆周运动，该平面称为转 动平面，圆心O点是转轴与转动平面的交点.显然，这种转动平面可以有 无数个，对于刚体的转动而言，它们是等价的，在研究刚体转动时可任 选一个.因此可以看出，刚体的定轴转动实质上就是刚体上各个质元在垂 直于转轴的转动平面内的圆周运动.
第一节 刚体运动的描述
图5- 4 刚体的角量描述
第二节 刚体的定轴转动定律
一、 力对转轴的力矩
对于刚体的定轴转动而言，若 作用在刚体上p点的力F在转动平面 内，力的作用点p相对于转轴的位 矢为r，力臂为d，则力F对转轴的 力矩为
M=r×F 其中，力矩的大小M=Frsin θ 如图5-5所示.
图5- 5 力在转动平面内
第二节 刚体的定轴转动定律
【例5-5】
如图5- 15所示，一个可绕固定轴O自由转动的均质细棒， 质量为m，长度为l，初始时刻处于水平位置.求其自由释放至θ 角时的角加速度和角速度.
大学物理第五章 气体动理论总结
三种速率比较：
vp
2kT m0
2RT M mol
f (v)
v 8kT 8RT
m0
M mol
v
v 2
3kT
3RT
m0
M mol
O
v p
v
v2
温度一定，同种气体
vp温度。
1
T2 T1
M mol 一定
2
T2 T1
v p2 v p1
v o
f (v)
5. 速率分布函数
f (v) dN
Ndv
dv
v
速率分布函数
f (v) 速率分布函数物理意义－－－
在速率v 的附近，单位速率间隔内的 分子数占总分子数的百分比 .
f (v)dv dN N
归一化条件
代表速率v 附近dv (或v~v+dv)区间的分子数概率
0
f
(v)dv
dN N
1
－－－曲线下面积
f (v)
2. 氢气分子的最概然速 率是多少?
0
1000
2
vm / s
v pHe
2RT 4 103
1000 m / s
2RT v pH2 2 103
2 1000
m/s
麦克斯韦速率分布律
例* 已知f()为麦克斯韦速率分布函数，p为分子 的最可几速率，则
p f ()d 表示 速率小于 p的分子数占总分子数的百分比
0
或分子速率小于 p的概率。
f ()d 表示 速率大于 p的分子数占总分子数的百分比
p
或分子速率大于 p的概率。
0
1 2
m0
2
f
(
)d
大学物理一复习 第五章 静电场和习题小结
q 4 π
0
dr r
2
r
q
1 q ( ) 4 r r 4 r q
0 0
r
E
V
q 4 π 0r
q 0, V 0 q 0, V 0
三、电势叠加原理
点电荷系
Va
q1
q2
a
E dl
V1 V 2 V n
第 五 章 静电场
Nothing in life is to be feared. It is only to be understood. ----(Marie Curie)
本章参考作业：P190
5-1，5-2、5-9①、5-14、5-21、 5-23、5-26、5-27、5-30。
学 习 要 点
的大小处处相等，且有
cos 1
cos 0
(目的是把“ E ”从积分号里拿出来)
计算高斯面内的电荷,由高斯定理求 E。
高斯定理运用举例： ---计算有对称性分布的场强
掌握所有 例题
1、球对称——球体、球面、球壳等。 2、轴对称——无限长直线、圆柱体、圆柱面。 3、面对称——无限大均匀带电平面。
E
0
R
r
三、面对称——无限大均匀带电平面。
例6、求无限大均匀带电平面的场 分布。已知面电荷密度为
o
p
dE
dE
解:对称性分析： 垂直平面 E
选取闭合的柱形高斯面
左底 侧
右底
侧 0
左底
E S
S＇
E S
右底
2 ES
大学物理课件Chapter5
称为能流密度
u
J
u
u
波的强度
I J 1
T
u
Jdt
T
dt u
T0
T0
对于平面简谐波：
1
I 2 A2u
2
单位：Wm2
球面简谐波的波表达式：
r2 r1 O
I1
1 2
A12 2u
I2
1 2
A22 2u
在无吸收时，通过两球面的能流相等
I14pr12 I2 4pr22
A1 r2 A2 r1
解： kr r
1
2
1
2
1 2 2k 1π
r r 2n
1
2
2
2k 1π 2π n 2k 1 2nπ
干涉相消
[例题5-8]两相干波源P、Q，初相位相同，振幅相等，P、 Q间距为1.5个波长， R为PQ连线上任一点，求R点振动的 振幅
t 时刻波阵面
子波源
子波 t+t 时刻波阵面
子波源 子波
用惠更斯原理解释波的衍射 波传播过程中当遇到障碍物时，能绕过障碍物的边 缘而传播的现象——衍射。
阴影区
a
（1）a <<
阴影区
（2）a ~
用惠更斯原理解释波的折射
用作图法求出折射波的传播方向
BC=u1(t2-t1) AD=u2(t2-t1)
y A0r0 cos(t kr)
r
5.3.3 声波 声强级
· I (W / m2) I上=1
1. 正常人听声范围
频率范围：20 20000Hz
·
I0=10-12W/m2
2. 声强级
o 20 1000 20000 (Hz)
大学物理第五章PPT课件
Q be W abe (a E )8 4208
29J2
p
负号表示放热
c
（3）若Ed - Ea=167 J，求系统沿ad及db变
化时，各吸收了多少 a
热量？
0
-
b e
d V
24
W a dW ad 4 bJ 2
Q a d W a d ( E d E a ) 2J 09
又 E b E aE 2J 08
p
o V1 dV
-
dl
Ⅱ V2 V
6
注意 功是过程量，其数值大小与过程有关， 只给定初态和末态并不能确定功的数值．
dQ dE PdV
或
QE2
E1
v2 v1
PdV
5.1.4 理想气体的等体过程、等压过程 和等温过程
热力学第一定律可以应用于气体、液体 和固体系统，研究它们的变化过程．
-
7
1. 等体过程 气体体积保持不变的过程叫做等体过程．
QT WP1V1lnV V12 在等温膨胀过程中，理想气体所吸收的 热量全部转换为对外所做的功．
-
12
5.1.5 气体的摩尔热容
定 义 1 摩尔的某种物质温度升高(或降低) 1K 所吸收（或放出）的热量．
同一气体在不同的过程中有不同的热容．
1 . 等体摩尔热容
设：1摩尔气体在等体过程中吸取热量dQV 温度升高dT
p1VV12
1 .0 1 15 3 0 11 .4 0 1
2.5 5160 Pa
-
29
5.2 循环过程 卡诺循环
5.2.1 循环过程 5.2.2 卡诺循环
-
30
5.2.1 循环过程
1. 定义
大一物理第五章知识点总结
大一物理第五章知识点总结物理作为自然科学的一门重要学科，是研究物质及其运动规律的科学。
大一物理课程的第五章主要涉及到光学方面的内容，对于我们理解光的特性和光学现象具有重要的作用。
本文将对大一物理第五章的知识点进行总结和梳理。
第一节：光的直线传播光在真空和同质均匀介质中的传播呈直线传播，遵循光的直线传播原理。
光的直线传播过程中，遵循光的折射定律和反射定律。
折射定律描述了光从一个介质进入另一个介质时，发生折射的规律。
反射定律则描述了光射入到介质边界时，以相同的角度和强度反射回原来的介质。
第二节：光的反射与折射光的反射是指光线遇到介质的边界时，按照反射定律产生反射现象。
光的折射是指光线从一种介质进入到另一种介质时，按照折射定律产生折射现象。
反射和折射都是光学中常见的现象，对我们理解光的传播具有重要的意义。
第三节：光的波动性光既具有粒子性，又具有波动性。
在一些特定的实验中，我们可以观察到光的干涉和衍射现象，证明了光的波动性。
光的波动性是由于光是电磁波，具有波粒二象性。
光的波动性使得我们可以对光线进行干涉、衍射等实验，研究光的传播规律。
第四节：光的干涉与衍射光的干涉是指两束或多束同频率、同相的光波相遇时，互相干涉而产生明暗相间的干涉条纹的现象。
干涉可分为两种类型：构成干涉的两个光源可以是同一光源经过分路之后再重合，这种叫做自相干干涉；构成干涉的两个光源可以是两个不同的光源，这种叫做外自相干干涉。
衍射是指光通过障碍物或光通过有限孔径的障碍物时产生的光的偏折现象。
干涉和衍射是光学研究中重要的现象，有广泛的应用价值。
第五节：光的偏振光的偏振是指光的振动方向在空间中的取向。
有两种主要的偏振方式：线偏振和圆偏振。
线偏振是指光的振动方向在同一平面上，可以是水平方向、垂直方向或其他方向。
圆偏振是指光的振动方向绕光线方向旋转形成的。
偏振光在光学仪器的制造和传感器技术中具有重要的应用。
第六节：光的衍射与互补波光的衍射现象在实际生活中有广泛的应用，例如光栅、衍射仪器等。
大学物理精第五章真空中的静电场ppt课件
三、高斯定理
1.表述：在真空中的任何静电场中,通过任一闭 合曲面的电场强度通量等于该闭合曲面内所包 围电荷的代数和除以ε0。
ppt精选版
39
S
• Q
2.数学表达式：
Φ e E d S E c o sd S
n Q i
i 1 0
其中：E为高斯面内、外场源电荷的电场矢量和。
*高斯面为封闭曲面；
q1
Fi
1
4π 0
qiq0 ri3
ri
q2
q3
由力的叠加原理得 q 所0 受合力
F Fi
i
故 q 处0 E总F电 场强Fi度
q0
q i 0
i
Ei
ppt精选版
r1 r2
r3
q0
F3 F2 F1
17
1.电场强度的叠加原理：
点电荷系在某点产生的场强，等于各点电荷单 独存在时在该点分别产生的场强的矢量和。
过球面的电通量
Φe
Q 0
• Q
由图可知从曲面一侧穿入的
电场线必定从另一侧穿出，所
以通过曲面的电通量为0
ppt精选版
38
*如点电荷为负，则通过闭合曲面的电通量为负。
*点电荷发出的通过闭合球面的电通量与球面半径 无关，任意形状的闭合曲面也如此。
*如果闭合曲面没有包含点电荷则进入曲面和穿 出曲面的电场线相同，总电通量为零。
解：选择如图所示的高斯面（电场球对称）
E Φe E cosdS
r
EdSE4r2
R
由高斯定理
Φe
Q 0
E 4 r2 Q 0
1Q
pEpt精选版40 r2
43
例题10 两同心均匀带电球壳，内球球壳半径R1 、 带电量+Q，外球球壳半径R2 、带电量-Q ，不计 球壳厚度，试求电场强度的空间分布。
大学物理教程第五章 小结
F
ˆ r
q
r
q
0
2. 均匀带电球面
E内 0 ,
R o
第 2页
大学物理
3.无限大均匀带电平面：
E 2 0
( 带电平面）
4.无限长均匀带电直线：
E 2 π 0r
( 带电直线）
dE
dq
y
a
dE
x
dq
o
第 3页
内
: S内的净电荷。
只有S内电荷有贡献。
第 5页
Φe :
大学物理
总结：
由高斯定理求电场分布的步骤
1. 由电荷分布的对称性分析电场分布的对称性. 2. 在对称性分析的基础上选取高斯面. 目的是使 能够以乘积形式给出. E d S
s
（球对称、轴对称、面对称三种类型）
1 3.由高斯定理 E dS
Φe 0 Φe 0
第 4页
大学物理
六.高斯定理 静电场中，通过任意封闭曲面(高斯面)的电通量等于 该封闭曲面所包围的电量代数和的 1 0倍。 1 E dS q内
S
0
关于高斯定理的讨论： (1) 式中各项的含义
q
S : 高斯面，封闭曲面。 E : 总场, S内外所有电荷均有贡献。 0 : 真空电容率。
十、 叠加原理：U U i (零势点相同)
第 7页
大学物理
九、电势的计算(两种基本方法)
(1) 场强积分法(由定义求)
(A) 根据 E 分布
(B) 选零势点和便于计算的积分路径
(C) 由电势定义
零势点
Ua
a
E dl
大学物理教程第五章刚体的转动
⼤学物理教程第五章刚体的转动第五章刚体的转动§5－1 刚体的平动、转动和定轴转动⼀、刚体在外⼒作⽤下形状和⼤⼩都不变化的物体称为刚体．和这定义等价的另⼀定义是：如果物体在外⼒作⽤下它的任意两点之间的距离保持不变，则这物体称为刚体．刚体是⼀种理想模型，在⾃然界中是找不到的．实际上任何物体在外⼒作⽤下，它的形状和⼤⼩都或多或少要发⽣变化．但有许多物体，如果外⼒不甚⼤的话，它的形状和⼤⼩的改变不显著，这样的物体和刚体很接近，刚体⼒学中的结论对于这样的物体⼤致与经验符合．因此在实际问题中这样的物体可以当刚体来处理．⼆、平动和转动刚体的最简单的运动是平动和转动．在§1－3中关于参考系的平动的定义对刚体也适⽤．即如果刚体运动时，它⾥⾯任⼀直线的⽅位始终保持不变，则其运动称为平动．平动的特点是，任⼀时刻刚体中各点的速度和加速度都相等，任⼀点的运动都可以代表整个刚体的运动．刚体运动时，如果刚体中所有质点都绕着⼀条直线作圆周运动(如图5－1)，则这刚体的运动称为转动，这条直线称为转轴．座钟的指针、CD 光碟、涡轮发电机的叶⽚和车辆的轮⼦的运动都是转动．转动刚体的转轴可以是固定的(例如涡轮叶⽚的转轴)，也可以是运动的(例如车轮的转轴)．转轴固定的转动称为定轴转动．可以证明，刚体的⼀般运动可以当作是由⼀平动和⼀绕瞬时轴的转动组合⽽成．例如车轮在地⾯上滚动(图5－2a)，可以看成是由车轮随轮轴的平动以及车轮绕轮轴的转动组合⽽成．车轮上任⼀点P 的瞬时速度v ，等于轮轴的瞬时速度v 0与由于该点随车轮绕轮轴转动所具有的速度v r 的⽮量和，如图5－2(b)所⽰．三、定轴转动如图5－1，P 为刚体中⼀质点，当刚体绕定轴转动时，P 作圆周运动，圆⼼O 为转轴与圆平⾯的交点．由于刚体中任意两点之间的距离是固定不变的，刚体中各质点在同⼀时间Δt 内具有相同的⾓位移Δθ，因此在任⼀时刻各质点具有相同的⾓速度ω和⾓加速度α．所以我们可以⽤Δθ、ω和α作为描写刚体绕定轴转动的物理量，称为刚体的⾓位移、⾓速度和⾓加速度．我们在§1－4中讲过的⾓位移、⾓速度和⾓加速度等概念都适⽤于刚体的定轴转动．如果将⾓位移Δθ图5－1图5－2改为θ，则§1－4中公式θ = ωt ，ω = ω0 + αt 及θ = ω0t +21αt 2对刚体的定轴转动亦适⽤．⾄于刚体内各质点的速度和加速度则由于各质点到转轴的距离不同⽽各不相同，但这些线量与⾓量之间的关系仍然由(1－49)式、(1－51)式及(1－52)式表⽰．例题5－1 ⼀转速为1.80×103 r/min 的飞轮，因受制动⽽均匀地减速，经20.0s 停⽌转动．(1) 求⾓加速度和从制动开始到停⽌转动飞轮转过的转数；(2) 求制动开始后t = 10.0s 时飞轮的⾓速度；(3) 设飞轮半径为0.500m ，求在t = 10.0s 时飞轮边缘上⼀点的线速度和切向与法向加速度．解 (1) 设ω0为初⾓速度，由题意得rad/s π60rad/s 60101.80π2π230=??==n ω s 0.20 ,0==t ω因飞轮均匀减速，其转动为匀变速转动，由§1－4公式，⾓加速度为220rad/s π3rad/s 20.0π60-=-=-=t ωωα从开始制动到停⽌转动飞轮的⾓位移θ及转过的转数N 依次为rad π600rad 20.03π2120.0π6021220=??-=+=t t αωθ 300 2ππ600π2===θN (2) t = 10.0s 时飞轮的⾓速度为()rad/s π30rad/s 10.03ππ600=?-=+=t αωω(3) t = 10.0s 时，飞轮边缘上⼀点的线速度为m/s 1.47m/s 30π.5000=?==ωr v相应的切向加速度及法向加速度为22t m/s 71.4m/s 3π.5000-=?-==αr a()23222n m/s 1044.4m/s 30π.5000?=?==ωr a §5－2 ⼒矩转动定律转动惯量⼀、⼒对转轴的⼒矩根据经验，⼒可以使物体转动．但使物体转动的作⽤，不仅与⼒的⼤⼩有关，⽽且与⼒的⽅向以及⼒的作⽤线和转轴的距离有关．例如当我们⽤⼿关门时，⼒的作⽤线和门的转轴的距离越⼤，越容易把门关上．如果⼒的作⽤线通过门的转轴，或⼒的⽅向与转轴平⾏，则不论⽤多⼤的⼒也不能把门关上．⾸先讨论⼒在垂直于转轴的平⾯内的情形．图5－3为与转轴垂直的刚体的截⾯图，⼒F 在此平⾯内，⼒的作⽤线与转轴的距离为d ，d 称为⼒臂，⼒的⼤⼩F 与⼒臂d 的乘积称为⼒F 对转轴的⼒矩，⽤M 表⽰，则M = Fd （5－1）设r 为从转轴到⼒的作⽤点P 的径⽮，φ为r 与F 之间的夹⾓，由图5－3看出，d = r sin φ，故(5－1)式可写为r F Fr M ⊥==?sin （5—2）其中⊥F 为⼒F 在垂直于r ⽅向的分量．上式表⽰，只有⼒F 在垂直于r ⽅向的分量才对⼒矩有贡献．当φ = 0或φ =180°时M = 0，此时⼒的作⽤线通过转轴，0=⊥F ，d = 0．如果⼒F 不在垂直于转轴的平⾯内，则将F 分解为⼆分⼒F l 、F 2．F l 在垂直于转轴的平⾯内，F 2与转轴平⾏(图5－4)．由于平⾏分⼒F 2对物体转动不起作⽤，可以不考虑，因此在⼒矩定义式(5－1)或式(5－2)中，F 应理解为外⼒在垂直于转轴的平⾯内的分⼒．⼒对定轴的⼒矩不但有⼤⼩，⽽且有转向．⼀般规定，如果⼒矩使刚体沿反时针⽅向转动，⼒矩为正；如果⼒矩使刚体沿顺时针⽅向转动，⼒矩为负．如果同时有⼏个⼒作⽤于刚体，则刚体所受的合⼒矩等于各个⼒对转轴的⼒矩的代数和．⼒对转轴的⼒矩与⼒对⼀点的⼒矩之间的关系如上所述，如果⼒F 与转轴不垂直，可将它分解为垂直于转轴的分⼒F l 和平⾏于转轴的分⼒F 2．设O 为通过⼒F 的作⽤点P ⽽垂直于转轴的平⾯与转轴的交点．r 为从O 点到P 点的径⽮(图5－4)．则由(4－37)式得⼒F 对O 点的⼒矩为M = r × F = r × (F l + F 2) = r × F l + r × F 2将上式两边投影在转轴上．现在来看左右两边投影的意义．左边为⼒F 对O 点的⼒矩在转轴上的投影，右边r × F 2与转轴垂直，它在转轴上的投影为零．r × F l 与转轴平⾏，它在转轴上的投影等于F l r sin φ(图5－4)．⽽后者等于⼒F 对转轴的⼒矩．故得结论：⼒F 对转轴的⼒矩等于⼒F 对O 点的⼒矩M 在转轴上的投影，其中O 为通过⼒F 的作⽤点P ⽽垂直于转轴的平⾯与转轴的交点．应当注意，⼒对⼀点的⼒矩是⽮量，⼒对转轴的⼒矩是标量．这是因为后者是前者的投影之故．⼆、转动定律刚体可看成是由⽆数质点组成，当刚体绕定轴转动时，各个质点都绕定轴作圆周运动，取质点P i 来考虑，设其质量为Δm i ，与转轴的距离为r i ，图5－5为经过P i ⽽垂直于转轴的刚体的截⾯图，作⽤于P i 的⼒有外⼒F i 及内⼒F ’i ，令F i t 及F ’i t 分别表⽰F i 及F ’i 沿切线⽅向的分量，则由切向运动⽅程得F i t + F ’i t = Δm i · r i α两边乘以r i ：F i t r i + F ’i t r i = (Δm i r i 2)α将此式对刚体中⼀切质点求和得图5－3 图5－4∑∑∑='+ii i i ii i i i r m r F r F α)Δ(2t t （5－3） ∑'i ii r F t 为所有内⼒对转轴的⼒矩的代数和，即合内⼒矩．下⾯证明此合内⼒矩等于零．取刚体中两质点P i 及P j 来考虑．根据⽜顿第三定律，这两质点相互作⽤的⼒⼤⼩相等⽅向相反，且在同⼀直线上(图5－6)，此⼆⼒有相同的⼒臂d ，但因⼆⼒⽅向相反，故其对转轴的合⼒矩为零．⼜因内⼒总是成对的，每⼀对内⼒的合⼒矩既然等于零，所以所有内⼒的合⼒矩亦必等于零，即0t ='∑iii r F 因此，(5－3)式化为∑∑=ii i i i i r m r F α)Δ(2t （5－4）∑iii r F t 为所有外⼒对转轴的⼒矩的代数和，即合外⼒矩，⽤M 表⽰，则上式化为∑=ii i r m M α)Δ(2 （5－5）对于⼀定刚体及⼀定转轴来说，上式中∑ii i r m 2Δ为⼀恒量，称为刚体对该转轴的转动惯量，⽤J 表⽰，即∑=ii i r m J 2Δ （5－6）这样(5－5)式便化为αJ M = （5－7）此式表⽰，刚体的⾓加速度与它所受的合外⼒矩成正⽐，与刚体的转动惯量成反⽐，这⼀关系称为转动定律．这是刚体绕定轴转动的基本定律．刚体绕定轴转动的其他定律都可以由这条定律导出．值得注意，这条定律是从⽜顿第⼆、第三定律推出的．三、转动惯量把转动定律αJ M =与⽜顿第⼆定律F = ma ⽐较，可以看出，这两个式⼦⼗分相似，M 对应于F ，α对应于a ，J 对应于m ．我们知道，物体的质量m 是物体的平动惯性⼤⼩的量度，与此类似，物体的转动惯量J 是物体的转动惯性⼤⼩的量度．这可以从转动定律αJ M =看出．转动惯量不同的两个刚体，在相同的图5－5 图5－6外⼒矩作⽤下，转动惯量⼤的刚体⾓加速度⼩，就是它的⾓速度难于改变，也就是转动惯性⼤；反之，转动惯量⼩的刚体，它的转动惯性⼩．根据转动惯量定义：∑=ii i r m J 2Δ如果刚体是由若⼲个质量为m 1，m 2，m 3，…的质点组成，在(5－6)式中Δm i 应代以m i ，得+++=233222211r m r m r m J （5－8）如果刚体的质量连续分布在⼀体积内，(5－6)式中总和式应代以积分式，Δm 应代以d m (刚体中的质量元)，得==VV V r m r J d d 22ρ（5－9）其中d V 为刚体的体积元，ρ为体积元d V 处的质量体密度，此积分遍及于刚体的整个体积V ．(5－9)式可推求如下：将刚体划分为许许多多⼩部分，每⼀部分的线度极⼩，使它可以看成⼀质点．设各⼩部分的质量为Δm 1，Δm 2，…，Δm i ，…，与转轴的距离依次为r 1，r 2，…，r i ，…，按照(5－6)式，刚体的转动惯量J 近似地等于∑i i m r Δ2，即∑≈ii i m r J Δ2设λ为各⼩部分的线度的最⼤值，λ越⼩，每⼀⼩部分越接近于⼀质点，因此和数∑i i m r Δ2越接近于J ，所以当0→λ时，和数∑i i m r Δ2的极限值便完全等于J 了，即∑→=ii i m r J Δlim 20λ按照⾼等数学，上式中右式就是定积分?Vm r d 2，于是得 ??==VV V r m r J d d 22ρ这就是(5－9)式如果刚体的质量连续分布在⼀⾯上或⼀细线上，则需引⽤质量⾯密度或线密度概念，计算转动惯量公式与上式相同，只需将体密度换为⾯密度或线密度，将体积元换为⾯积元或线元即可．参看例题5－2及5－3．在国际单位制中转动惯量单位为千克平⽅⽶，符号为kg·m 2，转动惯量的量纲为ML 2．⼏何形状简单的刚体，其转动惯量可⽤积分法算出，见表5－1．表5－1 质量分布均匀的⼏种刚体的转动惯量a) 细棒(转轴通过中⼼与棒垂直) b) 细棒(转轴过棒的⼀端与棒垂直) 2121ml J = 231ml J =c) 圆柱体(转轴沿⼏何轴) d) 球体(转轴沿球的任⼀直径)221mR J = 252mR J =e) 薄圆筒(转轴沿⼏何轴) f ) 圆筒(转轴沿⼏何轴)2mR J = )(212221R R m J +=例题5－2 求质量为m 、板长为l 的均匀细棒对于通过棒的中点⽽与棒垂直的轴的转动惯量．解在棒上取与轴OO ’距离为x 、长为d x 的⼀⼩段来考虑(图5－7)，这⼀⼩段的质量为d m = λd x ．其中λ为棒的质量线密度．根据转动惯量定义，棒对轴OO ’的转动惯量为32222121d d l x x m x J l l -λλ===?? 棒的质量线密度lm =λ，代⼊上式得 2121ml J = 例题5－3 求质量为m 、半径为r 的匀质圆盘对于通过圆⼼⽽垂直于圆平⾯的轴的转动惯量．解在圆盘上取⼀半径为x ，宽为d x 的圆环来考虑(图5－8)，这圆环的⾯积为2πx d x ，质量为d m = 2πσx d x ，其中σ为圆盘的质量⾯密度．根据转动惯量定义，圆盘对通过圆⼼O ⽽垂直圆平⾯的轴的转动惯量为4032π21d π2d r x x m x J r σσ===?? 圆盘的质量⾯密度2πrm =σ，代⼊上式得 221mr J = 上式对匀质圆柱体对于它的⼏何轴的转动惯量亦适⽤．决定刚体的转动惯量J 的⼤⼩因素有三：①刚体的质量；②刚体质量分布情况；③刚体的转轴的位置．例如质量均匀、⼤⼩相同的铅球和铜球，由于铅球质量较⼤，所以对于位置相同的轴来说，铅球的J 较⼤．⼜如有两个圆柱体，外径相等，质量也相等，但其中⼀个为实⼼，另⼀个为空⼼(质量分布不同)，则对于它们的⼏何轴来说空⼼的圆柱体的J 较⼤．⼜如同⼀根棒对于通过棒的中⼼与棒垂直的轴与对于通过棒的⼀端与棒垂直的轴的J 不相同．例题 5－4 在半径分别为R 1、R 2的阶梯形滑轮上反向绕有两根轻绳，各悬挂质量为m 1、m 2的物体，如图5－9所⽰．若滑轮与轴间的摩擦忽略不计，滑轮的转动惯量为J ，求滑轮的⾓加速度α及各绳中张⼒F T1、F T2．解分析各物体的受⼒情况，如图5－9右图，对于滑轮，重⼒和轴的⽀承⼒通过轴⼼，其⼒矩为零．由于是轻绳，应有F T1 = F’T1，F T2 = F ’T2．先假设物体运动⽅向为：m 1的加速度a 1向下，m 2的加速度a 2向上，滑轮沿顺时针⽅向转动．选取物体运动⽅向为坐标轴正向，根据⽜顿第⼆定律和转动定律可得111T 1a m F g m =- 2222T a m g m F =- αJ R F R F =-22T 11T 滑轮边缘的切向加速度等于物体的加速度：αα2211 ,R a R a == 解以上各式得 g R m R m J R m R m 2222112211++-=α g m R m R m J R R m R m J R g m F 1222211212222111T )(???? ?++++=-=α图5－7 图5－8图5－9gm R m R m J R R m R m J R g m F 2222211211211222T )(???? ?++++=+=α讨论：1) 当m 1gR 1 > m 2gR 2 时，物体运动⽅向与原假定⽅向相同．2) 当m 1gR 1 = m 2gR 2 时，α = 0，滑轮作匀速转动或静⽌，运动状态或⽅向由初时刻条件决定．3) 当m 1gR 1 < m 2gR 2时，物体运动⽅向与原假定⽅向相反，即m 1向上，m 2向下，滑轮沿反时针⽅向转动．§5－3 转动动能⼒矩的功⼀、转动动能如图5－10，设刚体绕通过O 点⽽垂直于图平⾯的定轴转动，⾓速度为ω．当刚体转动时，刚体中各质点都绕定轴作圆周运动，因⽽都有动能．刚体的转动动能等于刚体中所有质点的动能之和．设各质点的质量为Δm 1，Δm 2，Δm 3，…，与转轴的距离为r 1，r 2，r 3，…，线速度为v 1 = r 1ω，v 2 = r 2ω，v 3 = r 3ω，…，则刚体的转动动能为22223322222211k Δ21 Δ21Δ21Δ21ωωωω??=+++=∑i i i r m r m r m r m E 但J r m ii i =∑2Δ为刚体的转动惯量，故E k ⼜可写为2k 21ωJ E =（5－10）即刚体的转动动能等于刚体的转动惯量与⾓速度的平⽅的乘积的⼀半，(5－10)式与平动动能公式2k 21v m E =形式相似，⽽且量纲也相同．⼆、⼒矩的功如图5－11，设绕定轴转动的刚体在外⼒F 作⽤下有⼀⾓位移d θ，⼒F 在垂直于转轴的平⾯上，从转轴到⼒的作⽤点的径⽮为r ，则⼒的作⽤点的位移d r 的⼤⼩为d s = r d θ．根据定义，⼒F 在位移d r 中的功为d W = F · d r = F cos α d s因α与φ互为余⾓，cos α = sin φ，故上式可写为d W = Fr sin φd θ⼜由(5－2)式Fr sin φ = M 为⼒F 对转轴的⼒矩，故⼜可写为图5－10 图5－11d W = M d θ（5－11）这就是⼒矩M 在微⼩⾓位移d θ中的功的公式．当刚体在⼒矩M 作⽤下产⽣⼀有限⾓位移θ时，⼒矩的功等于(5－11)式的积分：=θθ0d M W （5－12）如果⼒矩M 为常量，则θθθθθM M M W ===??00d d （5－13）如果刚体同时受到⼏个⼒作⽤，则(5－11)及(5－12)式中M 应理解为这⼏个⼒的合⼒矩．当外⼒矩对刚体作功时，刚体的转动动能就要变化，下⾯我们来求⼒矩的功与刚体转动动能的变化之间的关系．由转动定律tJ J M d d ωα== 其中M 为作⽤于刚体的合外⼒矩，在d t 时间内刚体的⾓位移为d θ = ωd t ，合外⼒矩的功为ωωωωθd d d d d d J t t J M W =??== 当刚体的⾓速度由ω1变为ω2时，合外⼒矩对刚体所作的功等于上式的积分，即21222121d 21ωωωωωωJ J J W -==? （5－14）上式指出，合外⼒矩对刚体所作的功等于刚体的转动动能的增量．例题5－5 ⼀长为l 质量为m 的均匀细长杆OA ，绕通过其⼀端点O 的⽔平轴在铅垂⾯内⾃由摆动．已知另⼀端点A 过最低点时的速率为v 0，杆对通过端点O ⽽垂直于杆长的轴的转动惯量231ml J =，若空⽓阻⼒及轴上的摩擦⼒都可以忽略不计，求杆摆动时A 点升⾼的最⼤⾼度h ．解作⽤于杆的⼒有重⼒m g 及轴对杆的⽀承⼒F N ，⽀承⼒F N 通过O 点，其⼒矩为零．重⼒m g 作⽤于杆的质⼼C ，⼒矩为θsin 2l mg ，当杆沿升⾼⽅向有⾓位移d θ时，由于重⼒矩与⾓位移转向相反．其元功为θθd sin 2d l mg W -= 设θm 为杆的最⼤⾓位移，当杆从平衡位置转到最⼤⾓位移θm 位置时，重⼒矩所作的总功为)cos 1(2d sin 2d m 0m θθθθ--=-==??l mg l mg W W 由图5－12看出，h = l (1-cos θm )，代⼊上式得图5－12mgh W 21-= 杆在平衡位置时的⾓速度l00v =ω，在⾓位移最⼤时的⾓速度0m =ω．由于合外⼒矩的功等于转动动能的增量，故得 20220220613121 21021v v m l m l J m gh W -=??-=-=-=ω由此得 gh 320v = §5－4 绕定轴转动的刚体的⾓动量和⾓动量守恒定律当刚体以⾓速度ω绕定轴转动时，刚体中各质点都绕定轴作圆周运动．设质点P i 的质量为Δm i ，与轴的距离为r i ，线速度的⼤⼩为v i ，则质点P i 的动量的⼤⼩为Δm i v i (图5－13)，P i 对转轴的⾓动量为Δm i v i r i ．刚体中所有质点的⾓动量之和称为刚体对转轴的⾓动量，⽤L 表⽰，则ωωωJ r m r m r m L i i i i i i i i i i =??===∑∑∑22ΔΔΔv这样，刚体的转动定律可写为tL t J t JM d d d )d(d d ===ωω即 tJ t L M d )d(d d ω== （5－15）可以证明：(5－15)式不但适⽤于绕定轴转动的刚体，⽽且适⽤于绕定轴转动的任意物体或物体系．所不同的是，对于绕定轴转动的刚体来说，转动惯量J 是不变的，但对于绕定轴转动的任意物体或物体系来说，J 是可以变化的．在特殊情形下，如果作⽤于转动物体的合外⼒矩M = 0，则由(5－15)式，我们有L = J ω = 常量（5－16）即当物体所受的合外⼒矩等于零时，物体的⾓动量J ω保持不变，这⼀结论称为⾓动量守恒定律．⾓动量守恒有两种情形：① J 不变的情形，由(5－16)式得知ω亦不变，地球的⾃转差不多是这种情形；② J 是变化的情形，由(5－16)式得知，当J 减⼩时，ω增⼤；当J 增⼤时，ω减⼩．例如⼀⼈坐在可以绕铅直轴⾃由转动的凳⼦上，⼿中握着两个很重的哑铃．当他两臂伸开时，使凳⼦和⼈⼀起转动起来，假设轴承处的摩擦很⼩可以忽略不计，则凳⼦和⼈没有受到外⼒矩作⽤，其⾓动量J ω保持不变(图5－14a)．当⼈把两臂收缩时，转动惯量J 减⼩，⾓速度ω就增⼤，即是说⽐两臂伸开时要转得快些(图5－14b)．⼜如跳⽔运动员在空中翻筋⽃图5－13时，先把两臂伸直，当他从跳板跳起时使他⾃⼰以某⼀⾓速度绕通过腰部的⼀⽔平轴线转动，在空中时使臂和腿尽量蜷缩起来，以减⼩转动惯量，因⽽⾓速度增⼤，在空中迅速翻转，当他快要接近⽔⾯时，再伸直两臂和腿以增⼤转动惯量，减⼩⾓速度，以便竖直地进⼊⽔中．⾓动量守恒定律，与前⾯介绍过的动量守恒定律和能量守恒定律⼀样，是⾃然界中的普遍规律之⼀，不但适⽤于宏观物体的机械运动，也适⽤于原⼦、原⼦核和基本粒⼦等微观粒⼦的运动．例题5－6 ⼀⽔平放置的圆盘形转台．质量为m ’，半径为R ，可绕通过中⼼的竖直轴转动，摩擦阻⼒可以忽略不计．有⼀质量为m 的⼈站在台上距转轴为2R 处．起初⼈和转台⼀起以⾓速度ω1转动，当这⼈⾛到台边后，求⼈和转台⼀起转动的⾓速度ω2．解以⼈和转台为⼀系统，该系统没有受到外⼒矩作⽤，因此⾓动量守恒：J 1ω1 = J 2ω2 =常量即 22212221421ωω??? ??+'=???? ?+'mR R m R m R m 由此得 12422ωωmm m m +'+'= 思考题5－1 对于定轴转动刚体上的不同点来说，下⾯的物理量中哪些具有相同的值，哪些具有不同的值？线速度、法向加速度、切向加速度、⾓位移、⾓速度、⾓加速度．5－2 飞轮转动时，在任意选取的⾓位移间隔Δθ内，⾓速度的增量Δω相等，此飞轮是在作匀加速转动吗?5－3 作⽤在刚体上的合外⼒为F ，合外⼒矩为M ，举例说明在什么情况下(1) F ≠ 0⽽M = 0；(2) F = 0⽽M ≠ 0；(3) F = 0且M = 0．5－4 当刚体受到若⼲外⼒作⽤时，能否⽤平⾏四边形法先求它们的合⼒，再求合⼒的⼒矩？其结果是否等于各外⼒的⼒矩之和？5－5 在磁带录⾳机中，驱动装置将磁带匀速拉过读写磁头，于是磁带被拉出的⼀端卷带轴上剩余的磁带半径逐渐减⼩，作⽤在该卷带轴上的⼒矩随时间如何变化？该卷带轴的⾓速度随时间如何变化？5－6 如果要设计⼀个存储能量的飞盘，在质量和半径相同的情况下，应该选取质量均匀分布的圆盘形的还是质量集中在边缘的圆环形的呢？当⾓速度相同时，⼆者的转动动能之⽐为多少？图5－145－7 ⼏何形状完全相同的铁圆盘与铝圆盘，哪⼀个绕中⼼对称轴的转动惯量⼤？要使它们由静⽌开始绕轴转动并获得相同的⾓速度，对哪⼀个圆盘外⼒矩要作更多的功？5－8 恒星起源于缓慢旋转的⽓团，在重⼒作⽤下，这些⽓团的体积逐渐减⼩，在恒星尺度收缩的过程中，它的⾓速度如何变化？习题5－1 ⼀个螺丝每厘⽶长度上有20条螺纹，⽤电动螺丝起⼦驱动，在12.8s 内推进了1.37cm ，求螺丝的平均⾓速度．5－2 转盘半径为10.0cm ，以⾓加速度10.0 rad/s 2由静⽌开始转动，当t = 5.00s 时，求(1) 转盘的⾓速度；(2) 转盘边缘的切向加速度和法向加速度．5－3 ⼀个匀质圆盘由静⽌开始以恒定⾓加速度绕过中⼼⽽垂直于盘⾯的定轴转动．在某⼀时刻，转速为10.0 r/s ，再转60转后，转速变为15.0 r/s ，试计算：(1)⾓加速度；(2)由静⽌达到10.0 r/s 所需时间；(3)由静⽌到10.0 r/s 时圆盘所转的圈数．5－4 如图所⽰，半径r 1 = 30.0 cm 的A 轮通过⽪带被半径为r 2 = 75.0 cm 的B 轮带动，B 轮以π rad/s 的匀⾓加速度由静⽌起动，轮与⽪带间⽆滑动发⽣，试求A 轮⾓速度达到3.00×103 r/min 所需要的时间．5－5 在边长为b 的正⽅形的顶点上，分别有质量为m 的四个质点，求此系统绕下列转轴的转动惯量：(1)通过其中⼀质点A ，平⾏于对⾓线BD 的转轴，如图所⽰．(2)通过A 垂直于质点所在平⾯的转轴．5－6 求半径为R ，质量为m 的均匀半圆环相对于图中所⽰轴线的转动惯量．5－7 代换汽车引擎盖密封垫时要求对螺栓的扭矩达到90.0N·m(扭矩过⼤会使密封垫失效)，如果使⽤长度为45.0 cm 的扳⼿，如图所⽰，在垂直于扳⼿⼿柄⽅向⽤多⼤的作⽤⼒可以完成这⼀⼯作？5－8 ⽔井上提⽔的辘轳为圆柱形，半径为0.200m ，质量为5.00kg ，辘轳缠绕的轻绳上悬挂的⽔桶质量为3.00kg ，如图所⽰．辘轳失去控制使⽔桶⽆初速地下落，在2.00s 后达到井下⽔⾯，忽略辘轳轴上的摩擦阻⼒，求(1) ⽔桶下落的加速度；(2) 井⼝到⽔⾯的深度；(3) 辘轳的⾓加速度．题5－4图题5－5图题5－6图题5－7图5－9 圆盘形飞轮直径为1.25m ，质量为80.0kg ，飞轮上附着的滑轮半径为0.230m ，质量可以忽略，电动机通过环绕滑轮的⽪带驱动飞轮顺时针旋转，如图所⽰．当飞轮的⾓加速度为1.67rad/s 2时，上段⽪带中的张⼒为135N ，忽略轴上的摩擦阻⼒，求下段⽪带中的张⼒．5－10 制陶旋盘半径为0.500m ，转动惯量为12.0kg·m 2，以转速50.0r/min 旋转．陶⼯⽤湿抹布沿径向施加70.0N 的⼒按住旋盘的边缘，使之在6.00s 内制动，求旋盘的边缘和湿抹布之间的有效滑动摩擦系数．5－11 ⼀轻绳跨过滑轮悬有质量不等的⼆物体A 、B ，如图所⽰，滑轮半径为20.0 cm ，转动惯量等于50.0 kg·m 2，滑轮与轴间的摩擦⼒矩为98.1N·m ，绳与滑轮间⽆相对滑动，若滑轮的⾓加速度为2.36 rad/s 2，求滑轮两边绳中张⼒之差．5－12 如图所⽰的系统中，m 1 = 50.0 kg ，m 2 = 40.0 kg ，圆盘形滑轮质量m = 16.0 kg ，半径R = 0.100 m ，若斜⾯是光滑的，倾⾓为30°，绳与滑轮间⽆相对滑动，不计滑轮轴上的摩擦，(1)求绳中张⼒；(2)运动开始时，m 1距地⾯⾼度为1.00 m ，需多少时间m 1到达地⾯？5－13 飞轮质量为60.0 kg ，半径为0.250 m ，当转速为1.00×103 r/min 时，要在5.00 s 内令其制动，求制动⼒F ，设闸⽡与飞轮间摩擦系数µ = 0.400，飞轮的转动惯量可按匀质圆题5－8图题5－9图题5－11图题5－12图题5－13图题5－15图盘计算，闸杆尺⼨如图所⽰．5－14 ⼀个风扇转速为900 r/min ，当马达关闭后，风扇均匀减速，⽌动前它转过了75转，在此过程中制动⼒作的功为44.4 J ，求风扇的转动惯量和摩擦⼒矩．5－15 如图所⽰，质量为24.0 kg 的⿎形轮，可绕⽔平轴转动，⼀绳缠绕于轮上，另⼀端通过质量为5.00 kg 的圆盘形滑轮悬有10.0 kg 的物体，当重物由静⽌开始下降了0.500 m 时，求：(1)物体的速度；(2)绳中张⼒．设绳与滑轮间⽆相对滑动．5－16 蒸汽机的圆盘形飞轮质量为200 kg ，半径为1.00 m ，当飞轮转速为120 r/min 时关闭蒸汽阀门，若飞轮在5.00 min 内停下来，求在此期间飞轮轴上的平均摩擦⼒矩及此⼒矩所作的功．5－17 长为85.0 cm 的均匀细杆，放在倾⾓为45°的光滑斜⾯上，可以绕过上端点的轴在斜⾯上转动，如图所⽰，要使此杆实现绕轴转动⼀周，⾄少应给予它的下端多⼤的初速度？ 5－18 如图所⽰，滑轮转动惯量为0.0100 kg·m 2，半径为7.00 cm ，物体质量为5.00 kg ，由⼀绳与劲度系数k = 200 N/m 的弹簧相连，若绳与滑轮间⽆相对滑动，滑轮轴上的摩擦忽略不计，求：(1)当绳拉直弹簧⽆伸长时，使物体由静⽌⽽下落的最⼤距离；(2)物体速度达最⼤值的位置及最⼤速率． 5－19 圆盘形飞轮A 质量为m ，半径为r ，最初以⾓速度ω0转动，与A 共轴的圆盘形飞轮B 质量为4m ，半径为2r ，最初静⽌，如图所⽰，两飞轮啮合后，以同⼀⾓速度ω转动，求ω及啮合过程中机械能的损失． 5－20 ⼀⼈站在⼀匀质圆板状⽔平转台的边缘，转台的轴承处的摩擦可忽略不计，⼈的质量为m ’，转台的质量为10 m ’，半径为R ．最初整个系统是静⽌的，这⼈把⼀质量为m 的⽯⼦⽔平地沿转台的边缘的切线⽅向投出，⽯⼦的速率为v （相对于地⾯）．求⽯⼦投出后转台的⾓速度与⼈的线速度．5－21 ⼀⼈站⽴在转台上，两臂平举，两⼿各握⼀个m = 4.00 kg 的哑铃，哑铃距转台轴r 0 = 0.800 m ，起初，转台以ω0 = 2π rad/s 的⾓速度转动，然后此⼈放下两臂，使哑铃与轴相距r = 0.200 m ，设⼈与转台的转动惯量不变，且J = 5.00 kg·m 2，转台与轴间摩擦忽略不计，求转台⾓速度变为多⼤？整个系统的动能改变了多少？5－22 证明刚体中任意两质点相互作⽤⼒所作之功的和为零．如果绕定轴转动的刚体除受到轴的⽀承⼒外仅受重⼒作⽤，试证明它的机械能守恒．5－23 ⼀块长L = 0.500 m ，质量为m ＝3.00 kg 的均匀薄⽊板竖直悬挂，可绕通过其上端的⽔平轴⽆摩擦地⾃由转动，质量m = 0.100 kg 的球以⽔平速度v 0 = 50.0 m/s 击中⽊板中题5－17图题5－18图题5－19图⼼后⼜以速度v = 10.0 m/s 反弹回去，求⽊板摆动可达到的最⼤⾓度．⽊板对于通过其上端轴的转动惯量为231L m J '= ． 5－24 半径为R 质量为m '的匀质圆盘⽔平放置，可绕通过圆盘中⼼的竖直轴转动．圆盘边缘及R /2处设置了两条圆形轨道，质量都为m 的两个玩具⼩车分别沿⼆轨道反向运⾏，相对于圆盘的线速度值同为v ．若圆盘最初静⽌，求⼆⼩车开始转动后圆盘的⾓速度．5－25 花样滑冰运动员起初伸展⼿臂以转速1.50r/s 旋转，然后他收拢⼿臂紧靠⾝体，使他的转动惯量减少到原来的3/4，求该运动员此时的转速．5－26 旋转⽊马转盘半径为2.00m ，质量为25.0kg ，假设可视为圆盘形刚体，转速为0.200r/ s ，⼀个质量为80.0kg 的⼈站在转盘边缘．当此⼈⾛到距转轴1.00m 处时，求转盘的⾓速度和⼈和转盘组成的系统转动动能的改变量．。
大学物理基础课件 第五章
10、 求图示电路的输出电压与输入电压之比uo/u1 . R2
o
R3
∞
R1
1
+
+
∞
+
2
+
o
u
_
o
1
+
3
+
uo
R5 _
o
R4
解：如图结点（1）（2）（3）列结点电压方程得
（1/R1+1/R2+1/R3)un1-un2/R2-uO/R3=u1/R1
(1/R4+1/R5)un3-uo/R5=0
un =un3 un3=R4u /(R +R ) 故 uo/u =-R2R3(R4+R5)/R1(R2R4+R2R5+R3R4)
uo R1 R2 R ui (1 1 )ui R2 R2
4. 电压跟随器
+ _ + ui _
+ + uo _
uo ui
特点： ① 输入电阻无穷大; ② 输出电阻为零。 应用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。
5. 积分器 iC iR + ui _ u-=0 i-=0 R i- _ ui+ +
+ u-
_
i+
+ + uo _ uo 正向饱和区
+ u+ i+ _ _
Usat
理想运放的电路符号 0
反向饱和区 ud<0
ud>0
ud
-Usat
电压转移特性(外特性)
§5–2 含理想运算放大器的电阻电路分析
1. 反相比例器
大学物理学第五章
P不变 盖—吕萨克定律 V随T线性变化
V不变 查理定律 P随T线性变化
p
N R 1 Nm0 RT T V N A m0 V NA
当质量为m、摩尔质量为M的理想气体处于平衡态时，其 状态方程为：
定义： n
N V
（分子数密度） N A 6.022 1023 mol 1 （玻耳兹曼常量）
p 1V 1 p V 2 2 T1 T2
理想气体状态方程
理想气体状态方程
P167例5-2 容器内装有氧气，质量为 0.10kg，压强为 10105 Pa ，温度为 470C。因为容器漏气， 经过若干时间后，压强降到原来的 5/8，温 度降到 270C。 问(1)容器的容积有多大？ (2)漏去了多少氧气？ 解:(1)初态， pV
P176例5-3 一容器内装有气体，温度为 270C
问:（1）压强为1.013105 Pa时，在1 m3中 有多少个分子； （2）在高真空时，压强为1.3310-5 Pa , 在1 m3中有多少个分子?
§5-3 理想气体的压强和温度公式
一、理想气体的微观模型和统计假设
1. 关于每个分子的力学性质的假设
双原子分子
三个为平动自由度 t =3 两个为转动自由度 r =2
∴刚性气体分子的总自由度 i = k+r = 3+r
25
二、 能量均分定理
1 3 εk m0 v 2 kT 2 2
1 v v v v2 3
2 x 2 y 2 z
一个自由度为i 的刚性理想气体的平均动能为：
1 2 1 2 1 2 1 mv mv mv kT 2 x 2 y 2 z 2
3.温度T（t） —— 化学参量
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
大学物理课件：第五章学物理第五章总结热力学基础一、基本要求1．掌握功、热量、内能的概念，理解准静态过程。
2．掌握热力学第一定律，能分析、计算理想气体等值过程和绝热过程中功、热量、内能的改变量。
3．掌握循环过程和卡诺循环等简单循环效率的计算。
4．了解可逆过程和不可逆过程。
5．理解热力学第二定律及其统计意义，了解熵的玻耳兹曼表达式及其微观意义。
二、基本内容1. 准静态过程过程进行中的每一时刻，系统的状态都无限接近于平衡态。
准静态过程可以用状态图上的曲线表示。
2. 体积功功是过程量。
3. 热量系统和外界之间或两个物体之间由于温度不同而交换的热运动能量。
热量也是过程量。
4. 理想气体的内能式中为气体物质的量，为摩尔气体常量。
内能是状态量，与热力学过程无关。
5. 热容定体摩尔热容定压摩尔热容迈耶公式比热容比6．热力学第一定律（微分形式）7．理想气体热力学过程主要公式（1）等体过程体积不变的过程，其特征是体积=常量。
过程方程：常量系统对外做功：系统吸收的热量：系统内能的增量：（2）等压过程压强不变的过程，其特征是压强=常量。
过程方程：常量系统对外做功：系统吸收的热量：系统内能的增量：（3）等温过程温度不变的过程，其特征是温度常量。
过程方程：常量系统内能的增量：系统对外做功：系统吸收的热量：（4）绝热过程不与外界交换热量的过程，，其特点是。
过程方程：常量系统吸收的热量：系统内能的增量：系统对外做功：或8. 循环过程系统由某一平衡态出发，经过一系列变化过程又回到原来平衡态的整个过程叫做循环过程（简称循环）。
其特点，准静态循环在图上用一条闭合曲线表示。
正循环：系统从高温热源吸热，对外做功，向低温热源放热。
效率为逆循环：也称制冷循环，系统从低温热源吸热，接受外界做功向高温热源放热。
制冷系数9. 卡诺循环系统只和两个恒温热源进行热交换的准静态循环过程。
正循环的效率制冷系数10. 可逆和不可逆过程一个系统，由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为可逆过程；反之，如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则称为不可逆过程。
各种自然宏观过程都是不可逆的，且各种不可逆性之间是相互沟通的。
11. 热力学第二定律克劳修斯表述：热量不能自动地由低温物体传向高温物体。
开尔文表述：其唯一效果是热全部转变为功的循环过程是不可能的。
微观意义：自然过程总是沿着使分子运动更加无序的方向进行。
12. 热力学概率和同一宏观状态对应的微观状态数。
自然过程沿着向增大的方向进行。
平衡态相应于一定宏观条件下最大的状态。
13.玻耳兹曼熵公式的定义：熵增加原理：对孤立系的各种自然过程总有这是一条统计规律。
14.克劳修斯熵公式熵增加原理：（孤立系，等号用于可逆过程）。
三、习题选解5-1 非弹性小球互相碰撞时会发热，完全弹性小球相碰撞时则不会发热。
我们已经假设理想气体分子的碰撞是完全弹性的，问理想气体是否具有热运动能？解：小球作非弹性碰撞时，小球运动的动能转化为小球内部大量分子无规则运动的能量，或者说产生了热，作弹性碰撞时，小球宏观运动的动能并不转化为分子无规则运动的能量，不产生热。
对大量气体分子作杂乱运动的热运动形式而言，分子间碰撞是频繁的，经典统计中引用了两个分子间作弹性碰撞的假设，仍然认为分子的运动是杂乱的，这并没有否定气体分子具有热运动。
分子间作完全弹性碰撞假设的涵义是分子无规则运动的能量与原子内部的能量不发生转换。
5-2 一质量为，温度为的冰块，以的速度沿水平表面滑动。
由于冰块与水平表面摩擦的结果，使冰块滑了一段路程后停了下来。
已知冰的熔解热为，假设没有其它热交换，问冰融化了多少？解：以表示冰的熔解热，并设冰块滑行停止后融化的质量为，冰块吸收的热量为。
摩擦力对冰块做负功，根据机械能守恒定律，摩擦力的功应为冰块动能变化量。
由于没有其他能量交换方式，由热力学定律有5-3 如图所示，一系统由态沿到达态时，吸收了的热量，同时对外做的功。
（1）如果沿进行，则系统做功，问这时系统吸收了多少热量? （2）当系统由态沿着曲线返回态时，如果是外界对系统做功，问这时系统是吸热还是放热？热量传递是多少？解：（1）系统从进行过程中，吸收热量，系统对外做功，。
题5-3图故态与态能量之差为系统经过程之后，系统做功。
系统吸收热量为（2）系统沿曲线由态返回态时，系统对外做功，这时系统内能减少。
，负号表示系统放热。
5-4 如图所示，一定量的理想气体由状态经到达(为一直线)，求此过程中：（1）气体对外做的功；（2）气体内能的增量；（3）气体吸收的热量。
解：（1）气体对外界做功题5-4图（2）由理想气体状态方程有由于，状态和的温度相同，这一过程中内能增量为零。
（3）由热力学第一定律由，有5-5 根据热力学第一定律，一个系统内能的增加等于外界对它做的功加上传递给它的热量。
问在活塞和内壁间有摩擦力的情况下，对于封闭于此活塞内的理想气体，应用热力学第一定律时，要注意什么问题？答：当活塞和内壁间有摩擦力时，外界所做的功一部分要抵消摩擦力做的功，剩下的另一部分才对内能的增加有贡献。
在处理有摩擦力存在的问题时，要注意外界做的功对内能增加有贡献的应当是外界做的功减去摩擦力做的功。
5-6 如图所示，使一定质量的理想气体的状态按图中的曲线沿着箭头所示的方向发生变化。
图线的段是以轴和轴为渐进轴的双曲线。
（1）已知气体在状态时的温度，求气体在、、状态时的温度；（2）从到气体对外做的功共是多少？（3）将上述过程在图上画出，并标明过程进行的方向。
解：（1）由理想气体方程题5-6 图有（2）从过程是等压过程，因而气体对外界做功为由的过程是双曲线，，其中，过程中，气体对外界做功从又是等压过程，其中，故过程中，气体对外界做功为所以，从到气体对外界所做的总功（3）在图上对应到的过程如图所示。
题5-6图5-7 （1）气体比热的数值可以有无穷多个，为什么？在什么情况下，气体的比热是零？什么情况下气体比热是无穷大？什么情况下是正值？什么情况下是负值？（2）气缸中储有的单原子理想气体，在压缩过程中，外力做功，气体温度升高，试计算气体内能的增量和所吸收的热量。
在此过程中，气体摩尔热容是多少？答：（1）比热的定义，对于一定量的气体从状态1变化到状态2，温度变化有确定的值，但是从状态1过渡到状态2的变化过程可以有无穷多个，每个过程吸热都不同，是与过程有关的量。
所以对应有无穷多个数值。
对绝热过程所以。
对等温过程所以。
若体系的温度增加，并且是吸热过程，或体系的温度降低，并且是放热过程，这种情况。
若体系的温度增加，并且放出热量，或体系的温度降低，并且吸收热量，以上情况。
（2）已知,,。
对于单原子气体定容摩尔热容量气体摩尔热容5-8 摩尔数相同的三种气体，，均可看作理想气体。
它们从相同的初态出发，都经过等体吸热过程，若吸收的热量相同，试问：（1）温度的升高是否相等？（2）压强的升高是否相等？解：（1）等容过程所以，以及分别是单原子分子气体，，双原子分子气体，；多原子分子气体，。
它们的摩尔数相同，吸热相同，它们的温度升高依次是最多，次之，最少。
（2）等容过程=常数，，以及的压强增加以的最多，次之，最少。
5-9 的氢气，在压强为，温度为时，其体积为，今使其经以下两种过程到达同一状态：（1）先保持体积不变，加热使其温度升高到，然后令其作等温膨胀，体积变为原体积的两倍；（2）先使其等温膨胀到原体积的两倍，然后保持其体积不变，加热到。
试分别计算上述两种过程中气体吸收的热量、气体对外所作的功和气体内能的增量，并做出图。
题5-9图解：（1）氢气的定容摩尔热容量为.在等容过程中气体不做功，内能增量在等温过程中内能不变，氢气体积从增加到，氢气对外做功在过程中气体吸收的热量对外所做的功内能的增量（2）在等温过程中内能不变，气体对外做功的在等容吸热过程中气体不做功，内能增量为在过程中气体吸收的热量对外所做的功内能的增量5-10 的单原子理想气体从加热至，（1）体积没有变化；（2）压强保持不变，问在这两个过程中各吸收了多少热量？增加了多少内能？气体对外做了多少功？解：单个单原子分子的平均动能为，温度为时，一摩尔单原子理想气体的内能为当温度从升至时，内能变化（1）当体积不变时，系统对外界做功，气体吸收热量（2）当压强不变时，气体对外界做功气体吸收热量5-11 当气体从体积膨胀到体积时，压强和体积之间的关系为式中、和均为常量，试计算该气体所做的功。
解：由得当气体从体积膨胀到体积时，该气体所作的功为5-12 设氮气作极缓慢的减压膨胀，其压强与体积的关系为；初始时，气体的体积；终止时，气体的体积，求氮气在上述过程中做的功、吸收的热量和内能的增量。
解：此氮气为理想气体，则由理想气体状态方程代入，可求得初始时系统温度同理终止时系统温度在此过程中，气体对外做功气体内能的增量为系统吸收的热量为5-13 证明多方过程中理想气体的摩尔热容量为说明多方指数和时各是什么过程及各过程中的摩尔热容量值。
解：气体多方过程的状态方程可表示为用代表多方过程中摩尔热容量，由定义可知，当系统温度变化时，系统从外界吸收热量为为气体的摩尔数。
同样，当温度变化时，理想气体的内能改为其为摩尔定容热容量。
由热力学第一定律有① 再由理想气体状态方程微分有② 再将多方过程状态方程两边取对数，再微分，可得③ 将①、②、③式中消去，和，从而有再由有其中，由（1）当时，常数，这是等压过程。
这时（2）当时，常数，是等温过程。
这时等温过程中，温度保持不变，这时气体吸收热量全部转化为气体对外界做的功，而内能保持不变。
（3）当时，常数。
这时这是绝热过程。
5-14 气缸内有单原子理想气体，若绝热压缩使其容积减半，问气体分子的平均速率变为原平均速率的几倍？若为双原子理想气体又为几倍？解：气体分子平均速率为对于一定量气体气体绝热压缩时，体积从变为温度从变到，由绝热方程所以对于单原子分子对双原子分子5-15 如图所示，一定量的理想气体，当它的体积为，压强为，有确定的内能。
（1）设它经准静态绝热压缩由到，此时正比于，求此过程中外界所做的功。
（2）气体从状态到状态，也可以通过其他不同的过程，，直线到达，分别计算这些过程外界对气体做题5-15图功和向气体传递的热量。
解：（1）设，则与绝热方程常量，比较得（单原子分子气体）。
气体经绝热压缩从，外界对气体做的功为因为从是绝热压缩的过程，，因而内能增加（2）过程是等压过程，气体对外界做功从是等容过程，气体对外界做功所以过程气体对外界做功外界对气体做功气体吸收热量过程是等容过程，气体对外界做功是等压过程，气体对外界做功所以过程气体对外界做功外界对气体做功气体吸收热量负号表示气体放出热量（3）过程是直线，气体对外界做功外界对气体做功气体吸收热量同样负号表示这一过程中气体向外界释放热量。